基于Halcon的新型引線框架排片機的設計

戚義鵬，黃希，許紅健，王恒

(1.南通大學機械工程學院, 江蘇南通 226019; 2.富金森(南通)科技有限公司, 江蘇南通 226001)

0 前言

封裝是IC芯片生產的關鍵工序之一，塑料封裝(以下簡稱塑封)是IC產業中的主流封裝成型工藝，其市場占有率在行業中達到90%以上[1-2]。塑封工藝可以將支撐芯片的引線框架、芯片和鍵合引線用塑料等樹脂類聚合物材料包封起來，以保證IC芯片在使用過程中最大限度地發揮其電學特性[3]。根據GB/T 14663—2007[4]，引線框架在塑封壓機的模具上安放位置應當定位準確、安放可靠，應有防錯位措施。而上料排片預熱作為進入塑封壓機的前一個工位，引線框架是否精準放置會極大地影響塑封質量，因此引線框架高效精準入位與進行入位檢測對于排片機至關重要。目前，國內IC封裝企業的自動排片大多仍采用傳統的X、Y伺服主軸型排片機，入位檢測也仍依靠人工檢驗，其抓放效率低下、入位精度不足、勞動強度大的缺點勢必容易導致IC芯片塑封失效，影響企業生產效率。

1 總體結構設計

引線框架排片機是實現IC芯片產品封裝的重要設備，它要求能高效、準確地實現IC芯片引線框架的有序排片和均勻預熱，實現工序自動化。新型引線框架排片機整體結構如圖1所示，由進料部件、升降臺部件、輸送軌道、SCARA機械臂、抓取部件、預熱平臺等關鍵部分組成。

樣機實物如圖2所示。其工作流程：(1)通過進料部件推進滿載料盒，將疊置于料盒內的料片逐片推出至輸送軌道，并由拉針拖動至待抓取區；(2)通過SCARA機械臂驅動抓取部件抓取料片，并按一定序列逐片排放在矩陣式多工位封裝托架上；(3)針對已放置料片進行入位視覺檢測；(4)通過預熱平臺對料片進行均勻預熱，并等待塑封。

1.1 進料部件

進料部件由料盒推入收回部件、料片推桿部件以及升降臺部件三部分組成。料盒推入收回部件如圖3所示，其作用是將滿載料盒逐個推入升降臺。本文作者采用無桿氣缸驅動，并利用調壓閥和調速閥配合調整氣缸推力，避免料盒發生傾倒。滿載料盒由無桿氣缸4向前推入，導向軸和直線軸承保證推入過程的平穩性，空載料盒由氣缸7從部件底部進行收回，在空載料盒達到一定數量時會觸發傳感器5，同時設計有可調擋板9，適用于不同形式的塑封產品。

升降臺部件如圖4所示，主要由步進電機、絲杠、直線導軌、壓緊氣缸以及上、下限傳感器組成。由于料片在料盒中是按一定步距疊置的，該部分是通過料片推桿機構周期性地將料片從料盒中逐片推出，此部分要求往復精度高，以避免產生較大的累計誤差。本文作者采用步進電機驅動高精度絲杠帶動升降臺上下動作，并且設計有直線導軌保證上下動作的平穩性。

1.2 料片輸送軌道

輸送軌道如圖5所示，主要由步進電機、同步齒形帶、拉針機構、軌道以及光纖傳感器組構成。料片初進軌道時，光纖傳感器組會根據其散熱片的位置判斷料片是否反向、位置是否正確。待機械臂抓取完前一料片后，處于當前料片定位孔正下方的拉針機構會在氣缸與導向軸的作用下準確升入定位孔中。通過步進電機驅動同步齒形帶并帶動拉針機構，將料片拖動至待抓取區域。軌道下方設計有光纖傳感器對準料片的中筋位置，檢測料片是否準確到位。

預熱平臺工作時表面溫度可達180 ℃，由于輸送軌道距離預熱平臺較近，傳統的皮帶式柔性輸送結構會受到高溫的影響而出現皮帶老化加速、定位精度降低等嚴重問題，并且皮帶式輸送結構無法實現料片的高速移動。本文作者采用拉針結構設計，整體部件中空體積更大，熱量不易聚集，并且拉針結構可以實現料片快速輸送時不會因慣性發生偏移或打滑的功能，料片平均輸送速度可達1.1 s/片。

1.3 抓取部件

抓取部件如圖6所示，單作用氣缸1的向下動作可以使四邊軸承與圓臺發生相切擠壓，在直線軸承的導向作用下會向外伸出5 mm，呈現卡爪張開的姿態。6根導向軸中段都設置有彈簧，在氣缸向上動作時，6個卡爪同時收緊并夾住料片，此時傳感器會檢測料片是否被成功抓取。

該抓取部件僅用一個氣缸完成了對6個卡爪的開合控制，而在X、Y、Z軸方向上的移動則依靠SCARA機械臂的驅動實現。SCARA機械臂有3個旋轉關節，其軸線相互平行，可實現在平面內的精確定位[5]。另一個關節用于完成手臂末端在Z軸方向上的移動，大臂臂長為400 mm、小臂臂長為300 mm，復位精度均為±0.01 mm。末端參考點的位置坐標p是由兩旋轉關節的角位移φ1和φ2，及移動關節的位移z決定的，即:

p=f(φ1,φ2,z)

(1)

與傳統的X、Y伺服主軸型相比，SCARA機械臂的精度更高、響應更快，并且適應環境的能力強，整合性更高[6]。

醫療旅游的重要元素是醫療服務，高質量的醫療服務是醫療旅游產業發展的基礎。泰國和印度都視醫療質量為產業發展的根本。但醫療服務不同于制造業產品，具有無形性(intangibility)、不可分割性(inseparability)、與易逝性(perishability)特點[15]，因此，從業人員的資質與業界口碑對于醫療服務的競爭力至關重要。基于此，泰國和印度都高度重視醫療人才的引進和培養，從美國等發達國家引進了一大批高水平的醫療人才，醫務人員具有良好的英語水平；另一方面，鼓勵醫療機構通過國際認證，尤其是JCI認證，以展示其高水平的醫療服務能力。

進行了14個完整循環的系統排片測試，共計168片，測試結果中并未出現料片掉落或放置偏移等情況，入位率為100%。完成一個不含入位檢測的排片循環平均需要61.4 s，完全滿足生產現場實際的應用需求。

2 入位視覺檢測

如今機器視覺已廣泛應用于工業領域，主要用于保證產品質量、控制生產流程[7]。本文作者將圖像處理技術運用于自動化塑封生產線上，在引線框架排片機中對料片的入位情況進行在線檢測。入位檢測模塊如圖7所示，主要由工業相機、鏡頭、工控機、PLC、環形光源以及圖像處理軟件組成。

2.1 硬件選型

為優化視覺檢測速度，采用雙工位在線檢測方式。采用的相機型號為DMK 33GX265e，分辨率為2 048像素×1 536像素，采集幀率為36，輸出黑白圖像；鏡頭型號為SC-DLH06-5MP，焦距為6 mm，手動調節光圈。因為銅的電導率、強度、可成型性具有優勢，銅合金替代了早期IC封裝中使用的鐵鎳合金，成為制成引線框架的主要材料[8]。但銅合金表面易反光，所以系統采用白色環形光源BT-R7535W，其LED呈高密度環形分布，提供高亮、均勻的圓形照明，不易出現反光和陰影。

2.2 算法設計

入位檢測系統軟件在VS2019開發環境下基于Halcon視覺庫開發，其核心部分為圖像處理算法。算法主要包含區域定位與糾偏、圖像預處理、特征提取以及入位情況分析4部分。文中以TO220封裝引線框架作為研究對象，料片尺寸為228.1 mm×30.3 mm，初始視野大小為120 mm×90 mm，像素分辨率為0.06 mm/像素。

(1)目標區域定位并糾偏

圖8所示為料片入位實物圖，由于預熱平臺的工作溫度高，為避免視覺系統快速老化，在實時獲取圖像時會將鏡頭物距放大，這會使圖像初始視野較大并且存在小范圍內的角度偏差，導致后續特征提取出現漏檢現象，所以需要先對圖像進行目標區域定位和糾偏。以固定的圖像坐標截取視野640像素×480像素的目標區域，并進行閾值二值化與特征選擇，提取出圖像中部灰度值較低的區域，求出該區域與水平方向的角度θ，獲得旋轉矩陣R，并定義圖像中心點P為旋轉中心。

(2)

使用旋轉矩陣R對圖像進行仿射變換，可以輸出如圖9所示的標準初始圖像，如圖10所示的空置狀態圖像以及如圖11所示的偏移狀態圖像。

(2)圖像預處理

在圖像采集過程中，由于SCARA機械臂復位精度較高，相機、鏡頭和光源等基本能夠保持穩定的工作狀態，所以圖像的噪聲主要來源于脈沖噪聲。同時，為避免引線框架金屬表面細紋的干擾，選擇中值濾波對圖像去噪。利用Blob分析法[9]先對待檢測圖像進行二值化，區分出前景與背景，然后進行連通區域處理，最終通過形態學運算保留一定的邊緣特征，得到如圖12所示的圖像。為增強圖像高頻區域，并抑制一些冗余特征，對Blob分析后的圖像進行低通濾波，再進行像素灰度值運算，得到如圖13所示的圖像。

(3)特征提取

利用Canny邊緣檢測法[10]提取亞像素精確邊緣，經過非極大值抑制處理后得到最后的邊緣圖像，如圖14所示。通過特征選擇提取出符合閾值要求的圓特征，若數量大于3則繼續進行邊緣圖像中豎直直線與水平直線的提取，反之，則可判定為空置狀態。利用亞像素邊緣的圓度、長度以及方向特征參數提取出豎直直線與水平直線。但此時所提取的直線特征處于離散狀態，通過計算兩個輪廓端點最小距離、兩個輪廓端點最小距離與最長輪廓的比值，將距離相近的直線計算為并集，整合為同一條基準直線，處理后如圖15所示。

(4)入位分析

通過水平直線的坐標位置再次分割圖像，排除定位針弧形平臺邊緣的干擾，同時從該區域的邊緣圖像中根據坐標、圓度和圓半徑等特征參數提取出定位孔的邊緣特征，采用最小二乘法擬合得到圓的方程[11]，求出精確的圓心和半徑等參數并創建標準圓。圖16所示均為入位檢測結果，計算圓心到兩條豎直直線像素距離的比值a，判斷定位孔是否位于封裝托架的中心位置，再計算圓心到兩條水平直線距離的差值b，判斷料片整體與封裝托架的位置關系。當料片發生偏移或掉落時，圖像中定位孔圓特征的數量、比值a和差值b將不符合設定閾值，因此會被判定為NG。

2.3 實驗結果與分析

實驗結果如表1所示，入位檢測系統檢測準確率達98.8%，單個料片平均檢測時長為339 ms，滿足替代人工檢驗的需求。

表1 檢測結果統計結果

實驗中誤檢結果均是由于如圖17所示的燈源照明問題所導致的誤判，雖然可以通過設置嚴格的閾值參數的方法來避免照明過度，但是可能會造成頻繁停機復位，從而影響生產效率。

3 控制系統設計

本文作者提出的新型引線框架排片機的控制核心為PLC，圖18所示為控制流程圖。其中，料盒推入與收回、料片輸送與抓放、預熱平臺的溫度控制都是采用OMRON的CP1H型PLC控制系統實現各動作的有效配合。它擁有Ethernet接口，用于與負責圖像處理的工控機進行通信，并且其擴展性能強，可外接使用CP1W和CJ系列的單元，利用軟件XC-programmer進行梯形圖程序的設計。在視覺檢測時，機械臂每到達一個料片坐標，就傳輸一個中斷信號至PLC，同時觸發相機拍照和環形光源閃爍，進行初始圖像的采集，并傳輸到工控機。工控機利用Halcon視覺庫方法對圖像進行處理分析，再將結果傳輸至PLC。若料片中途掉落或未準確入位，則設備將會亮起報警指示燈，直至復位。

TOSHIBA的THL700型SCARA機械臂是通過控制器TSL3000控制的，將PLC與控制器進行串口通信，從而控制SCARA機械臂的運行狀態。利用軟件TSAssist示教25個坐標位，分別為12個料片放置點、12個入位檢測點以及1個料片抓取點。

4 結論

針對傳統引線框架排片機在生產過程中，進料部件平穩性差、效率低，X、Y伺服主軸型機械手抓取效率低、入位精度不足等問題，提出了一種基于Halcon檢測入位情況的新型自動引線框架排片機。通過對進料各部件結構優化改進并采用SCARA四軸機械臂，實現了高效準確的排片均勻預熱功能，提高了生產效率和產品質量的穩定性。入位檢測系統的正檢率達98.8%，單個料片平均檢測時長為339 ms，在生產實際中能夠極大地提高自動排片機的生產精度，并降低勞動強度，可為IC封測企業帶來可觀的經濟效益。